環(huán)衛(wèi)集裝箱船的新能源技術(shù)應(yīng)用研究

范金健 耿聰

摘要：隨著國內(nèi)對船舶綠色環(huán)保要求的重點關(guān)注，以及智能技術(shù)的快速發(fā)展，內(nèi)河航運(yùn)已經(jīng)具備電動化的基本條件，綠色智能船舶將是船舶發(fā)展更新?lián)Q代的主流趨勢。

關(guān)鍵詞：新能源;純電動力系統(tǒng);環(huán)衛(wèi)集裝箱船

目前國內(nèi)鋰電池動力船舶的容量一般控制 5000KWh 以下，其續(xù)航里程受充電裝置、充電時間的限制。 基于此，本課題的總體目標(biāo)主要著眼于前瞻性研究，同時依據(jù)上海當(dāng)前內(nèi)河航道的通航要求，重點分析內(nèi)河500噸級（27TEU）環(huán)衛(wèi)集裝箱船的純電池動力系統(tǒng)，以滿足城市生活垃圾集裝箱運(yùn)輸集運(yùn)系統(tǒng)的新能源升級。

一、國內(nèi)純電池動力船舶發(fā)展趨勢

近年來，我國已在內(nèi)河電動船舶的關(guān)鍵技術(shù)上取得較大突破。磷酸鐵鋰電池以其高安全性、長壽命、低成本、性能均衡等多方優(yōu)勢成為現(xiàn)階段船舶動力電池的最優(yōu)選擇?；诎踩院徒?jīng)濟(jì)性，磷酸鐵鋰電池適用于我國電動船舶，諸多船用電池廠家的動力電池產(chǎn)品通過實驗測試，獲得了中國船級社認(rèn)可證書。且充放電倍率達(dá)到20C，船舶啟動加速及動力操控性更好，已經(jīng)具備了在船舶上推廣應(yīng)用的技術(shù)條件。

國內(nèi)電池動力船舶應(yīng)用推廣基礎(chǔ)條件逐步形成。借鑒最新國內(nèi)電動船舶應(yīng)用實例，電力推進(jìn)系統(tǒng)成為我國內(nèi)河電動游船主流的動力系統(tǒng)，采用直流電力推進(jìn)+全回轉(zhuǎn)舵槳組合形式。目前國內(nèi)純電池動力船舶的關(guān)鍵技術(shù)是動力電池技術(shù)和電力推進(jìn)直流組網(wǎng)技術(shù)。

二、純電池動力船舶的技術(shù)特點

電池動力船舶技術(shù)是將傳統(tǒng)的以柴油機(jī)作為動力源的機(jī)械推進(jìn)改為由動力電池為動力源的電力推進(jìn)技術(shù)， 不需要配備排放和污染大的柴油機(jī)，改由動力電池為船舶提供能量源，在航行過程中無污染物的排放，可實現(xiàn)船舶“零排放”的目標(biāo)。

2.1電池技術(shù)成熟穩(wěn)定

目前磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用相比較于車用電池，應(yīng)用于電動船舶上的磷酸鐵鋰電池需面臨較多技術(shù)驗證和更嚴(yán)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要持證要求包括：鋰離子單體電芯、鋰離子電池模塊、鋰離子電池包、電池管理系統(tǒng)、鋰離子電池系統(tǒng)。這些通過中國船級社（CCS）認(rèn)證符合我國法定檢驗要求。

原材料：采用磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰具有非常高的安全性，能量密度相對也較高，熱失控溫度在 800 度，并且即使熱失控也能保證不起火不爆炸不蔓延。

溫度調(diào)節(jié)：寧德時代電池智能熱管理系統(tǒng)保障電池能在-30℃～60℃高效運(yùn)行。若環(huán)境溫度過低，可在 15 分鐘將電池溫度從-20℃升至 10℃。

智能管理：電池智能管理系統(tǒng)能 24 小時掌控電池健康狀態(tài)，提前識別不健康電池;并且精準(zhǔn)預(yù)測剩余電量，降低運(yùn)行里程跳變的困擾。

電動船的使用環(huán)境對動力電池的安全性具有極高的要求。電池的安全性是系統(tǒng)安全性的根本。船用情況下，電池系統(tǒng)總儲能大，阻止電芯之間、模塊之間的熱失控傳播，將系統(tǒng)級安全問題化解至單元可控級別是系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵。

船用領(lǐng)域艙室空間相對于車用更為富余，給熱失控和熱失控傳播阻斷的防范結(jié)構(gòu)提供了大量空間。輔以艙室隔離、滅火系統(tǒng)、隔熱材料等措施，可以避免系統(tǒng)級安全問題。

2.2動力系統(tǒng)全面升級

船舶的動力系統(tǒng)類型主要有常規(guī)主機(jī)推進(jìn)、柴電推進(jìn)和新能源推進(jìn)。相比于傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，純電池動力系統(tǒng)取消了油、水、氣的復(fù)雜系統(tǒng)，精簡了船舶系統(tǒng)，降低運(yùn)行成本和維護(hù)管理的強(qiáng)度。純電池動力系統(tǒng)還具有良好的環(huán)保效果，零污染、零排放、噪音低、振動低等優(yōu)點，能滿足 CCS《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》（2020）綠色船舶Ⅲ最高等級要求，可以將船舶對環(huán)境的影響降到最低。

純電池動力系統(tǒng)的基本配置包括：

儲能系統(tǒng)：滿足動力性、安全性

電池消防系統(tǒng)：艙室消防模式

配電系統(tǒng)：直流組網(wǎng)設(shè)計、能量回饋制動、冗余設(shè)計

推進(jìn)系統(tǒng)：軸系、Z 型、吊艙、無軸環(huán)推、直翼槳等

定制化充電系統(tǒng)：直流接入+簡易式搖臂+模塊化充電槍接入;充放電機(jī)械連鎖;岸電、船電充電握手確認(rèn)

綠色動力系統(tǒng)設(shè)備

三、新500噸級環(huán)衛(wèi)集裝箱船的關(guān)鍵技術(shù)

3.1、集裝箱式移動電源

新船配置 3TEU 移動電源箱，移動電源箱采用 20 英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，箱式電源包含 2 個獨立的相同配置的電池組，電池組獨立對外充放電。 每個電池組由 5 個相同配置的電池簇并聯(lián)，由1 個組管理箱（匯流柜）管理。每個電池簇由 6 個蓄電池包與 1 個簇管理箱（簇高壓箱）串聯(lián)而成。

電池組技術(shù)參數(shù)：組合方式 LF280-5P180S、標(biāo)稱電壓 DC576V、標(biāo)稱容量1400Ah、電壓范圍 DC522～DC630V、標(biāo)稱能量 806.4kWh、重量約 6.7t（含電池系統(tǒng)）、充放電相同接口。

電池管理系統(tǒng)（BMS）經(jīng)CCS 型式認(rèn)可，主要包含BSU（BMS 從控單元）、SBSU（BMS 安全功能從控單元）、BCMU（電池簇管理單元）、BGMU（電池組管理單元組成 3 級系統(tǒng)。

3.2、主推進(jìn)裝置

主推進(jìn)裝置的選型主要包括：

（1）常規(guī)的全回轉(zhuǎn)舵槳裝置（含側(cè)推裝置），配套交流變頻電動機(jī)驅(qū)動。

（2）先進(jìn)的吊艙推進(jìn)器（又稱 POD 推進(jìn)器），集推進(jìn)和操舵裝置于一體，極大地增加了船舶設(shè)計、建造和使用的靈活性，使電力推進(jìn)的優(yōu)越性得到了更充分的體現(xiàn)。吊艙推進(jìn)器一般由永磁電機(jī)、導(dǎo)管、螺旋槳和控制器等組成。

（3）新型的無軸電力環(huán)型推進(jìn)器（與永磁同步電機(jī)一體化），配套電機(jī)控制器，其調(diào)速方式為變頻調(diào)速，同時實現(xiàn)舵槳一體化的集成，有利于簡化機(jī)艙的空間布局，降低機(jī)艙設(shè)備的故障數(shù)量。

環(huán)型推進(jìn)器將殼體做成導(dǎo)管的形狀，產(chǎn)生額外的推力，具有比舵槳和傳統(tǒng)推進(jìn)器更高的效率。環(huán)推結(jié)構(gòu)主要技術(shù)特點：（A）輪緣式電力推進(jìn)器由永磁同步電機(jī)、推力和徑向軸承、螺旋槳、導(dǎo)管組成;（B）螺旋槳直接固定在永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)圈;（C）推力軸承固定在定子上，承受螺旋槳的推力;（D）電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均由防腐蝕材料緊密包裹，不與水直接接觸 。

3.3、配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)主要包括：雙向 DC/DC、整流器、日用逆變器、直流母排配電柜、交流配電柜、電能管理系統(tǒng)（PMS）、高性能 PLC/多種現(xiàn)場總總線等。

新型純電動力電力推進(jìn)系統(tǒng)采用直流組網(wǎng)設(shè)計，使用目前成熟可靠的工業(yè)產(chǎn)品，大大簡化能量傳遞系統(tǒng)。不存在無功功率平衡和穩(wěn)定問題，可靠性更高，不會產(chǎn)生交變電磁場，輻射小，無電網(wǎng)諧波。

采用專用變頻器能量回饋制動單元，針對船用大慣量負(fù)載，將電機(jī)在制動過程中產(chǎn)生的 97%再生電能量回饋給電網(wǎng)，并通過儲能單元進(jìn)行能量回收。電機(jī)制動時可快速向儲能單元回饋電能進(jìn)行反饋制動，大大增強(qiáng)電機(jī)的制動功能，可以快速地實現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。臺架試驗數(shù)據(jù)論證，空載時電機(jī)的 100%正轉(zhuǎn)至 100%反轉(zhuǎn)時間小于 3S，滿負(fù)荷時從電機(jī)的 100%正轉(zhuǎn)至 100%反轉(zhuǎn)時間小于10S。

3.4、船舶自動化系統(tǒng)

考慮安裝智能機(jī)艙模式設(shè)置，主推進(jìn)控制系統(tǒng)包括：全觸屏推進(jìn)控制面板、全自動電池供電切換、多種推進(jìn)模式選擇、電池系統(tǒng)監(jiān)控面板、本地及遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定等，通過高性能PLC實現(xiàn)定制一體式駕控臺的手柄操縱和監(jiān)測報警，設(shè)置人機(jī)界面/遠(yuǎn)程支持/故障診斷、推進(jìn)操縱/儀表/報警。其它還包括：全船綜合報警系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)、船岸通訊及CCTV（可選）、全船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（可選）。

當(dāng)前，“碳中和”正在成為全人類的共同命題。城市生活垃圾集裝箱運(yùn)輸?shù)男履茉淳G色集運(yùn)系統(tǒng)是當(dāng)前城市物流集疏運(yùn)體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。 上海城投環(huán)境（集團(tuán)）有限公司積極踐行綠色發(fā)展理念，在長江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展政策的引導(dǎo)和支持下，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，加強(qiáng)綠色化、智能化環(huán)保船型的研發(fā)，不斷提高水路固廢轉(zhuǎn)運(yùn)的效率水平， 重視純電動船舶產(chǎn)業(yè)鏈多環(huán)節(jié)的資源融合，形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長效機(jī)制，為推動船舶智能綠色發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。

作者簡介：范金健 高級工程師 建造師 ，供職于城投環(huán)境（集團(tuán)）有限公司資產(chǎn)管理部

耿聰 副總經(jīng)理、經(jīng)濟(jì)師 ，供職于城投環(huán)境（集團(tuán)）有限公司資產(chǎn)管理部